Many authors have established the usefulness of concrete filled steel tubular (CFST) sections as compression members while few have proved their utility as flexural members. To explore their prospective as part of CFST frame structures, two types of connections using extended end plate and seat angle are proposed for exterior joints of CFST beams and CFST columns. To investigate the performance and failure modes of the proposed bolted connections subjected to static loads, an experimental program has been executed involving ten specimens of exterior beam-to-column joints subjected to monotonically increasing load applied at the tip of beam, the performance is appraised in terms of load deformation behaviour of joints. The test parameters varied are the beam section type, type and diameter of bolts. To validate the experimental behaviour of the proposed connections in CFST beam-column joints, finite element analysis for the applied load has been performed using software ATENA-3D and the results of the proposed models are compared with experimental results. The experimental results obtained agree that the proposed CFST beam-column connections perform in a semi-rigid and partial strength mode as per specification of EC3.
As a lateral load resisting component, buckling restrained steel plate shear walls (BRW) have excellent energy dissipating capacity. Similar to thin steel plate shear walls, the mechanical behavior of BRWs depends on the boundary elements (adjacent beams and columns) which need adequate strength and stiffness to ensure the complete yielding of BRWs and the emergence of expected plastic collapse mechanism of frame. This paper presents a theoretical approach to estimate the design forces for boundary elements of beam-connected BRW (i.e., The BRW is only connected to beams at its top and bottom, without connections to columns) using a fundamental plastic collapse mechanism of frame, a force transferring model of beam-connected BRW and linear beam and column analysis. Furthermore, the design method of boundary beams and columns is presented. The proposed approach does not involve nonlinear analyses, which can be easily and efficiently used to estimate the design forces of beams and columns in a frame with BRWs. The predicted design forces of boundary elements are compared with those from nonlinear finite element analyses, and a good agreement is achieved.
This paper presents an analytical model to analyze the mapping relationship between bridge lateral deformation and track geometry of high-speed railway. Based on the rail deformation mechanisms, the deformation of track slab and rail at the locations of fasteners are analyzed. Formulae of rail lateral deformation are derived and validated against a finite element model. Based on the analytical model, a rail deformation extension coefficient is presented, and effects of different lateral deformations on track geometry are evaluated. Parametric studies are conducted to evaluate the effects of the deformation amplitude, fastener stiffness and mortar layer stiffness on the rail deformation. The rail deformation increases with the deformation of the girder, and is dependent on the spacing of the fasteners, the elastic modulus of the rail's material, and the moment of inertia of the rail's section.
Banh, Thanh T.;Nguyen, Xuan Q.;Herrmann, Michael;Filippou, Filip C.;Lee, Dongkyu
Steel and Composite Structures
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v.35
no.1
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pp.129-145
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2020
In typical, structural topology optimization plays a significant role to both increase stiffness and save mass of structures in the resulting design. This study contributes to a new numerical approach of topologically optimal design of Mindlin-Reissner plates considering Winkler foundation and mathematical formulations of multi-directional variable thickness of the plate by using multi-materials. While achieving optimal multi-material topologies of the plate with multi-directional variable thickness, the weight information of structures in terms of effective utilization of the material at the appropriate thickness location may be provided for engineers and designers of structures. Besides, numerical techniques of the well-established mixed interpolation of tensorial components 4 element (MITC4) is utilized to overcome a well-known shear locking problem occurring to thin plate models. The well-founded mathematical formulation of topology optimization problem with variable thickness Mindlin-Reissner plate structures by using multiple materials is derived in detail as one of main achievements of this article. Numerical examples verify that variable thickness Mindlin-Reissner plates on Winkler foundation have a significant effect on topologically optimal multi-material design results.
The current article proposed to develop a geometrical model for the analysis and modelling of the uniaxial functionally graded structure using the higher-order displacement kinematics with and without the presence of porosity including the distribution. Additionally, the formulation is capable of modelling three different kinds of grading patterns i.e., Power-law, sigmoid and exponential distribution of the individual constituents through the thickness direction. Also, the model includes the distribution of porosity (even and uneven kind) through the panel thickness. The structural governing equation of the porous graded structure is obtained (Hamilton's principle) and solved mathematically by means of the isoparametric finite element technique. Initially, the linear frequency parameters are obtained for different geometrical configuration via own computer code. The comparison and the corresponding convergence studies are performed for the unidirectional FG structure for the validation purpose. Finally, the impact of different influencing parameters like aspect ratio (O), thickness ratio (S), curvature ratio (R/h), porosity index (λ), type of porosity (even or uneven), power-law exponent (n), boundary condition on the free vibration characteristics are obtained for the FG panel and discussed in details.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.17
no.4
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pp.149-157
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2017
An innovative analysis method is proposed in this paper for the determination of ultimate resistance of prestressed concrete beams. The proposed method can be applied to simply supported or continuous beams in a unified manner whether structure and external loads are symmetric or not. Through the iterative nonlinear strain compatibility solutions, this method can also be applied to the non-prismatic section/un-symmetrical composite structures under moving load. The conventional studies have used the failure criteria when the strain of concrete reaches 0.003. However compared with bonded case, the value of strain in the reinforcement is much smaller than bonded case, thus, unbonded prestressed cases show compressive failure mode. It is shown that the proposed method gives acceptable results within 5% error compared with the prior experimental results. It can be shown that the proposed method can reach the solution much faster than typical three-dimensional finite element analysis for the same problem. This method is applicable to the existing unbonded prestressed members where deterioration has occurred leading to the reduced ultimate resistance or safety. In all, the proposed procedure can be applied to the design and analysis of newly constructed structures, as well as the risk assessment of rehabilitated structures.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.8
no.3
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pp.239-249
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2014
In this paper, the analysis of a numerical study of pile-soil interaction subjected to axial and lateral loads is presented. An analysis of the composite pile-soil system was performed using the finite difference (FD) software LPILE. Two three dimensional, finite element (FE) models of pile-soil interaction have been developed using Abaqus/Cae and SAP2000 to study the effect of lateral loading on pile embedded in clay. A lateral displacement of 2 cm was applied to the top of the pile, which is embedded into the concrete pile cap, while maintaining a zero slope in a guided fixation. A comparison between the bending moments and lateral displacements along the depth of the pile obtained from the FD solutions and FE was performed. A parametric study was conducted to study the effect of crucial design parameters such as the soil's modulus of elasticity, radius of the soil surrounding the pile in Abaqus/Cae, and the number of springs in SAP2000. A close correlation is found between the results obtained by the FE models and the FD solution. The results indicated that increasing the amount of clay surrounding the piles reduces the induced bending moments and lateral displacements in the piles and hence increases its capacity to resist lateral loading.
We investigate a method for the electrochemical preparation of titanium dioxide/carbon nanotube ($TiO_2$/CNT) composites involving the electroplating of Ti in a titanium n-butoxide (TNB) electrolyte into a CNT matrix. The Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface areas of $TiO_2$/CNT composites decrease as the electrochemical operating time increases. Changes in XRD patterns show a typical anatase type on the $TiO_2$/CNT composite prepared with a CNT matrix by the electroplating method in a TNB solution. In SEM micrographs, the titanium complex particles are uniformly distributed on the CNT surface. The results of chemical elemental analysis for the $TiO_2$/CNT composites show that most of the spectra for these samples produce stronger peaks for carbon and Ti metal than for any other element. Finally, the prominent photoelectrocatalytic activities of the $TiO_2$/CNT composites can be attributed to the combined effects of photodegradation of $TiO_2$, electron assistance of CNT, and the application of a sufficient voltage.
We investigate a method for the electrochemical preparation of titanium dioxide/carbon nanotube ($TiO_2$/CNT) composites involving the electroplating of Ti in a titanium n-butoxide (TNB) electrolyte into a CNT matrix. The BET surface areas of $TiO_2$/CNT composites decreased as electrochemical operating time increased. Changes in XRD patterns showed a typical anatase type on the $TiO_2$/CNT composite prepared with a CNT matrix by the electroplating method in the TNB solution. In SEM micrographs, the titanium complex particles were uniformly distributed on the CNT surface. The results of chemical elemental analysis for the $TiO_2$/CNT composites showed that most of the spectra for these samples produced stronger peaks for carbon and Ti metal than those of any other element. Finally, the prominent photoelectrocatalytic (PEC) activities of the $TiO_2$/CNT composites could be attributed to the combined effects of photodegradation of $TiO_2$, electron assistance of CNT and the application of a sufficient voltage.
Choi, Jun-Ho;Park, Cheol-Sun;Nah, Sun-Phil;Jang, Won
Journal of electromagnetic engineering and science
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v.7
no.4
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pp.161-168
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2007
A fast correlative vector direction finding(CVDF) system using active dipole antenna array for mobile direction finding(DF) applications is presented. To develop the CVDF system, the main elements such as active dipole antenna, multi-channel direction finder, and search receiver are designed and analyzed. The active antenna is designed as composite structure to improve the filed strength sensitivity over the wide frequency range, and the multi-channel direction finder and search receiver are designed using DDS-based PLL with settling time of below 35 us to achieve short signal processing time. This system provides the capabilities of the high DF sensitivity over the wide frequency range and allows for high probability of intercept and accurate angle of arrival(AOA) estimation for agile signals. The design and performance analysis according to the external noise and modulation schemes of the CVDF system with five-element circular array are presented in detail.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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